DE60129858T2

DE60129858T2 - Elektromotor

Info

Publication number: DE60129858T2
Application number: DE60129858T
Authority: DE
Inventors: Thord Agne Nilson
Original assignee: Atlas Copco Airpower NV
Current assignee: Atlas Copco Airpower NV
Priority date: 2001-11-16
Filing date: 2001-11-16
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2021-11-17
Also published as: EP1444765B1; JP4130914B2; AU2002223310A1; DE60129858D1; US6989620B2; CA2463100C; JP2005513993A; WO2003055042A8; WO2003055042A1; US20040251768A1; CN100466419C; CA2463100A1; CN1559100A; ATE369653T1; EP1444765A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere für Hochgeschwindigkeitsbetrieb, welcher ein Gehäuse umfasst; in diesem Gehäuse einen Stator mit einem Kern und kreisringförmig auf den Kern aufgewickelten Wicklungen; und in dem Stator einen Rotor.
Bei Hochgeschwindigkeitselektromotoren unterscheidet sich die Verlustverteilung erheblich von der Verlustverteilung bei Standardgeschwindigkeitsmotoren.
Die Geschwindigkeit dieser Hochgeschwindigkeitsmotoren wird üblicherweise durch einen Umrichter frequenzgesteuert. Aufgrund von Harmonischen, die von diesem Umrichter herrühren, können die Wirbelstromverluste leicht zum dominanten Verlust werden.
Da diese Wirbelstromverluste als das Quadrat der Auslegungsgeschwindigkeit für dieselbe Gestellgröße des Motors zunehmen, können diese Verluste im Vergleich zu Standardgeschwindigkeitsmotoren hoch sein.
Außerdem ist es, da diese Verluste eine Neigung haben, auf den Rotor konzentriert zu sein, und das Kühlen des Rotors höchst schwierig ist, wichtig, diese Wirbelstromverluste so gering wie möglich zu halten.
Eine bekannte Art und Weise zur Verringerung dieser Verluste ist die Verringerung des Gehalts an Harmonischen des Umrichters. Dies kann durch Einfügen eines Filters zwischen dem Umrichter und dem Motor vollzogen werden. Auf diese Weise wird die dem Motor zugeführte Spannung mehr die Form einer Sinuswelle haben.
Wenn die Wirbelstromverluste nicht Größenordnungen über dem liegen, was in dem Motor toleriert werden kann, könnte der Filter getrennte Induktoren außerhalb des Motors sein, die in Serie an die Wicklungen des Stators angeschlossen sind; diese Induktoren müssen gekühlt werden, üblicherweise mittels Konvektionskühlung.
Hochgeschwindigkeitsmotoren haben normalerweise eine sehr hohe Leistungsdichte und sind daher oft flüssigkeitsgekühlt.
Getrennte Standard-konvektionsgekühlte Induktoren außerhalb des Motors neigen für Hochleistungsmotoren dazu, groß und schwer zu sein. Sie verteuern das Antriebssystem auch erheblich.
Bei einem Motor mit kreisringförmigen Wicklungen tragen nur die an der Innenseite des Kerns befindlichen, dem Rotor zugewandten Halbwicklungen zur Erzeugung des Hauptmagnetfeldes und daher zur Erzeugung von Drehmoment bei.
Die Stator-Halbwicklungen an der anderen Seite des Kerns erzeugen einen Streufluss und bilden daher einen Teil der Streuinduktivität des Motors. Diese Streuinduktivität reicht nicht aus, um die Harmonischen aufgrund von Umrichterbetrieb zu verringern.
Dokument US 4.373.148 offenbart einen Elektromotor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, der einen Statorkern mit einer kreisringförmigen Wicklung und einem Metallgehäuse, das einen Induktivitätssteuerring bildet, umfasst.
Gemäß US 4.373.148 ist die kreisringförmige Wicklung dem Induktivitätssteuerring benachbart.
Ein Nachteil des in dem Dokument 4.373.148 offenbarten Motors ist, dass er erheblichen Eisenverlusten unterworfen ist.
Die Erfindung strebt danach, einen Elektromotor bereitzustellen, der das oben erwähnte Problem nicht aufweist und der für Umrichterbetrieb geeignet ist.
Daher umfasst ein Elektromotor gemäß der Erfindung einen Induktivitätssteuerring aus weichmagnetischem Material um den Statorkern herum, der für jede Phase die Streuinduktivität des Motors erhöht und, zusammen mit dem Statorkern und den Stator-Halbwicklungen außerhalb des Kerns, für jede Phase eine integrierte Filterinduktivität bildet.
Der Ring vermeidet Streuen des Magnetflusses nach außen hin, beispielsweise zum Außengehäuse des Motors. Streufluss kann erheblichen Wirbelstromverlust in einem Stahlgehäuse verursachen.
Der Motor ist ein Hochgeschwindigkeitsmotor, und zwischen dem Statorkern und dem Induktivitätsring befindet sich ein magnetischer Luftspalt. Die Dicke dieses Luftspalts bestimmt den Wert der von diesen Ring, dem Statorkern und den Stator-Halbwicklungen an der Außenseite des Kerns gebildeten integrierten Filterinduktivitäten. Dieser Luftspalt wird bei der Gestaltung des Motors sorgfältig berechnet, bis auf den besten Kompromiss zwischen einer hohen integrierten Filterinduktivität zur effizienten Verringerung mit dem Umrichter zusammenhängender Motorharmonischer und niedrige Eisenverluste in dem Induktivitätssteuerring.
Der Motor wird etwas größer sein, jedoch können die integrierten Filterinduktivitäten dasselbe Kühlsystem nutzen wie der Rest des Motors. Es liegt keine Notwendigkeit für ein separates Kühlsystem vor, das viel Platz einnehmen und die Gestehungskosten erhöhen würde.
Zur Begrenzung von Wirbelstromverlusten in dem Induktivitätssteuerring sollte der Widerstand dieses Rings in der axialen Richtung des Stators hoch sein, und daher ist dieser Ring bevorzugt geschichtet oder aus gesintertem Material.
Der Motor kann beispielsweise mit Öl flüssigkeitsgekühlt sein, in welchem Fall der Stator in einem Innengehäuse aus nichtmagnetischen Material, beispielsweise Kunststoff, untergebracht sein kann, wobei der Induktivitätssteuerring dieses Innengehäuse umgibt.
Bevorzugt weist der Motor ein Außengehäuse auf, in welchem Fall der Induktivitätssteuerring bevorzugt entweder direkt oder durch das Dazwischentreten von Stützen von diesem Außengehäuse getragen wird.
Die Erfindung wird nun als Beispiel und unter Verweis auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, worin:
1 einen Längsschnitt eines Hochgeschwindigkeits-Elektromotors gemäß der Erfindung zeigt;
2 einen Querschnitt des Motors von 1 zeigt, wobei das Außengehäuse teilweise weggeschnitten ist;
3 schematisch den vereinfachten Stromkreis für den dreiphasig gewickelten Motor der 1 und 2 zeigt.
Der in 1 gezeigte Motor ist ein synchroner Dreiphasen-Permanentmagnet-Wechselstromelektromotor, der im Wesentlichen einen Rotor 1, einen den Rotor 1 umgebenden Stator 2, einen den Stator 3 umgebenden Induktivitätssteuerring 3 und ein Außengehäuse 4 umfasst.
Der Rotor 1 besteht aus einem Permanentmagnetteil 5, das auf einer Welle 6 montiert ist, dessen Ende in Lagern 7 in dem Außengehäuse 4 getragen wird.
Der Stator 2 weist einen röhrenförmigen Kern 8 auf und ist mit einer Anzahl von Statorwicklungen 9 versehen, die sich wie Ringe um die Kernwand erstrecken, mit Halbwicklungen an der Außenseite des Kerns 8 und Halbwicklungen an der Innenseite des Kerns 8. Die Halbwicklungen der Wicklungen 9 sind in Schlitzen 10 in dem Kern 8 versenkt, obwohl die Windungen 9 sich in einer anderen Ausführungsform nicht in Schlitzen befinden.
Zum Enthalten von Kühlöl ist der Stator 2 auch mit einem Innengehäuse aus nichtmagnetischem Material, beispielsweise Kunststoff, umgeben.
Der Induktivitätssteuerring 3 befindet sich in dem Motor, zwischen dem Außengehäuse 4 und diesem Innengehäuse 11.
Dieser Induktivitätssteuerring 3 ist aus geschichtetem Stahl oder aus gesintertem magnetischem Material hergestellt.
Der Ring 3 wird in dem Außengehäuse 4 mittels Stützen 12 getragen.
In manchen Ausführungsformen werden die Stützen 12 weggelassen und wird der Induktivitätssteuerring 3 direkt von dem Außengehäuse 4 getragen, wenn seine Außenfläche mit der Innenfläche des Außengehäuses 4 in Kontakt kommt.
In einer anderen Ausführungsform befindet sich der Induktivitätssteuerring 3 nicht zwischen dem Innengehäuse 11 und dem Außengehäuse 4, sondern innerhalb dieses Innengehäuses 11.
Der Stator 2 kann auch durch Kühlluft gekühlt werden. In solcher Ausführungsform kann das Innengehäuse 11 weggelassen werden.
Auf jeden Fall wird ein Magnetluftspalt 13 zwischen dem Kern 8 des Stators 2 und dem Induktivitätssteuerring 3 gebildet, wobei die Breite dieses Spalts 13 den Wert der integrierten Filterinduktivität L1, L2 oder L3 bestimmt, die für jede der Phasen von Teilen des Rings 3 außerhalb des Kerns 8 und den Halbwicklungen der Statorwicklungen 9 für eine Phase, die sich an der Außenseite des Kerns 8 befinden, gebildet werden.
Wie in 3 gezeigt, enthält jede Phase eine Anzahl Wicklungen 9, die inhärent herkömmliche innere Induktivitäten La, Lb und Lc bilden.
Diese herkömmlichen inneren Induktivitäten La, Lb und Lc sind nicht nur von den Wicklungen 9 abhängig, sondern auch von der Geometrie und den Materialmerkmalen des Materials an der Innenseite des Statorkerns 8, d.h. Rotormerkmalen und Luftspalt 13.
Jede herkömmliche innere Induktivität La, Lb und Lc ist in Serie mit einer integrierten Filterinduktivität L1, L2 oder L3, die von dem Ring 3 um den Statorkern 8, dem Statorkern 8 selbst und den an der Außenseite des Kerns 8 befindlichen Halbwicklungen für die Phase gebildet wird. Diese integrierten Filterinduktivitäten L1, L2 und L3 sind abhängig von dem Spalt 13, der Geometrie und den Materialmerkmalen an der Außenseite des Statorkerns 8, und dem Sättigungsgrad des Statorkerns. Der Sättigungsgrad des Kerns 8 wird normalerweise niedrig gehalten, um Eisenverluste gering zu halten.
Wenn die Dicke des Luftspalts 13 abnimmt, nehmen die integrierten Filterinduktivitäten L1, L2 und L3 zu. Folglich wird der Luftspalt 13 auf den besten Kompromiss zwischen einer hohen integrierten Filterinduktivität für eine effiziente Verringerung von Umrichterharmonischen und zusätzlichen Eisenverlusten in dem Induktivitätssteuerring 3 angepasst.
Wenn der Motor betrieben wird, werden gewisse Eisenverluste und gewisse Wirbelstromverluste auftreten. Verglichen mit einem Standard-Hochgeschwindigkeitselektromotor wird der erfindungsgemäße Motor einige zusätzliche Eisenverluste, jedoch wesentlich weniger Wirbelstromverluste aufweisen, was zu geringeren Gesamtverlusten führt. Insbesondere werden die Rotorverluste verringert.
Der Induktivitätssteuerring 3 kann in einer alternativen Ausführung axial segmentiert sein.
In einer anderen alternativen Ausführungsform fällt der Induktivitätssteuerring 3 mit dem Motorgehäuse 4 zusammen. Das Motorgehäuse 4 wird dann, im Gegensatz zu bekannten Motorgehäusen, aus weichmagnetischem Material hergestellt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen und in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt; vielmehr kann solcher Hochgeschwindigkeits-Elektromotor verschiedene Ausführungsformen und Größen aufweisen, ohne den Rahmen der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen festgelegt, zu überschreiten.

Claims

Elektromotor, umfassend ein Motorgehäuse (4); in diesem Gehäuse (4) einen Stator (2) mit einem Kern (8) und kreisringförmig auf den Kern (8) gewickelten Wicklungen (9); einen Rotor (1) in dem Stator (2); und einen Induktivitätssteuerring (3) aus weichmagnetischem Material um den Statorkern (8) herum, der für jede Phase die Streuinduktivität erhöht und, zusammen mit dem Statorkern (8) und den Stator-Halbwicklungen außerhalb des Kerns (8), für jede Phase eine integrierte Filterinduktivität (L1, L2, L3) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein Hochgeschwindigkeitsmotor ist; dass ein Magnetluftspalt (13) zwischen dem Kern (8) des Stators (2) und dem Induktivitätssteuerring (3) belassen wird, und dass die Breite des Luftspalts (13) auf den besten Kompromiss zwischen einer hohen integrierten Filterinduktivität zur effizienten Verringerung umrichterbezogener Motorharmonischer und niedrigen Eisenverlusten in dem Induktivitätssteuerring (3) eingestellt wird.
Elektromotor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, um Wirbelstromverluste in dem Induktivitätssteuerring (3) zu begrenzen, der Widerstand dieses Rings in der axialen Richtung des Stators (2) hoch ist.
Elektromotor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (3) geschichtet oder aus gesintertem Material ist.
Elektromotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er flüssigkeitsgekühlt ist und der Stator (2) in einem Innengehäuse (11) aus nichtmagnetischem Material, beispielsweise Kunststoff, untergebracht ist, wobei der Induktivitätssteuerring (3) dieses Innengehäuse (11) umgibt.
Elektromotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er flüssigkeitsgekühlt ist und dass der Induktivitätssteuerring (3) in dieses Innengehäuse (11) plaziert ist.
Elektromotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktivitätssteuerring (3) entweder direkt oder durch das Dazwischentreten von Stützen (12) von dem Außengehäuse (4) getragen wird.
Elektromotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktivitätssteuerring (3) mit dem Gehäuse (4) zusammenfällt.
Elektromotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktivitätssteuerring (3) axial segmentiert ist.
Elektromotor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (9) des Stators (2) ringartig um die Wand des Kerns (8) herum sind.
Elektromotor gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (9) des Stators (2) in Schlitzen des Kerns (8) montiert sind.
Elektromotor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er ein synchroner Permanentmagnet-Wechselstrommotor ist.